Теплофизические свойства стекла

Теплофизические свойства стекол (теплоемкость, коэффициент термического расширения, термостойкость) принадлежат к числу важнейших эксплуатационных свойств стекла как конструкционного, строительного, защитного материала.

Теплоемкость характеризует способность вещества поглощать теплоту. Удельная теплоемкость определяют по количеству теплоты, которое необходимо затратить для нагрева единицы массы стекла на 1ºС. Теплоемкость измеряется в Дж/(кг ºС), наряду с теплопроводностью она определяет скорость нагрева и охлаждения стекла. Используют эту величину при расчете стекловаренных и отжигательных печей, стеклоформующих машин, закалочных установок.

Влияние химического состава на теплоемкость является сложным. Теплоемкость стекол растет по мере увеличения концентрации легких элементов (Li₂O, Na₂O, MgO, B₂O₃). Наиболее низкой теплоемкостью обладают системы с высоким содержанием тяжелых элементов (PbO, BaO).

Расширение стекла (как и других материалов) при нагреве характеризуется отношением удлинения образца при нагреве на 1ºС к исходной длине образца. Это отношение называется температурным коэффициентом линейного расширения (α) и определяется по формуле:

где ∆ l – увеличение длины образца при нагревании;

l – исходная длина образца;

t₂ и t₁ – температура образца после о до нагрева, ºС.

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) – важнейшее свойство стекол, особенно электровакуумных, химико-лабораторных, медицинских, сортовых, электротехнических. ТКЛР в основном определяет термическую стойкость стекол, т.е. способность противостоять резким изменениям температуры, а также возможность получения надежных сплавов стекла со стеклами других составов, керамикой, металлами. При нагреве спаянных стекол с сильно различающимися ТКЛР, в них возникают напряжения, которые могут вызывать разрушения спая. ТКЛР в значительной степени зависят от состава и структуры стекла. Самое низкое значение ТКЛР характерно для кварцевого стекла.(5·10^-7 град^-1). Повышение концентрации оксидов модификаторов (МеО₂) приводит к увеличению термического расширения, а повышение содержания SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃, MgO – к уменьшению α.

Термостойкостью называют способность стекла выдерживать резкие перепады температур без разрушения. Уравнение Венкельиана-Шотта позволяет связать температурный коэффициент термостойкости стекла (К) с другими свойствами:

[ºС],

где А – константа;

- предел прочности на растяжение;

α – термический коэффициент линейного расширения;

Е - модуль упругости;

λ - коэффициент теплопроводности;

С – удельная теплоемкость;

D – плотность стекла.

Из всех свойств, входящих в уравнение, наиболее резко для различных составов меняется температурный коэффициент линейного расширения, поэтому на практике термостойкость стекол оценивают как величину, обратную ТКЛР. Однако большое влияние на термостойкость оказывают и другие свойства стекла.

При резком охлаждении или нагревании в стекле возникают термоупругие напряжения, связанные с возникновением градиента температур в поверхностных слоях из-за низкой теплопроводности. При охлаждении образуются напряжения, растяжения, которые приводят к разрушению стекла. Величина этих напряжений пропорциональна увеличению разницы в расширении внутренних и наружных слоев, которая обратно пропорциональна ТКЛР; уменьшению упругости стекла; увеличению прочности стекла; увеличению теплопроводности стекла. Максимальной термостойкостью обладает кварцевое стекло (1000ºС), поскольку оно имеет наиболее оптимальное сочетание всех этих свойств. Термостойкость большинства промышленных стекол составляет 80-90 ºС, боросиликатных – 200-250 ºС.